本发明涉及高可靠性波浪滑翔器控制系统，利用主控计算机和备用计算机的并联系统，在任一控制计算机发生故障时控制系统仍可运行，利用集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能提高了波浪滑翔器位置信息反馈的可信度，属于波浪滑翔器控制领域。
背景技术：
波浪滑翔器是新型的海上观测平台，它通过吸收海洋中的波浪能，将其转化为自身航行的动力，通过太阳能板，将太阳能转化为电能为自身设备供电。它具有续航能力强，运营成本低廉，恶劣海况下适应性强、运行噪声小、无污染等众多优点，为各类海洋信息的观测与研究提供了新途径，现已广泛应用于长时间海洋环境探测、生物迁徙研究、气象信息预报等诸多领域。
波浪滑翔器设计用于长期无人海上航行，运行时间长，海上环境恶劣，人为干预困难，这一系列不利因素都对波浪滑翔器的控制系统提出了苛刻的要求。
一般而言，波浪滑翔器控制系统采用嵌入式计算机作为控制计算机，与传感器、执行器、通讯设备进行信息交互，传感器获取环境信息，包括定位信息等，控制计算机采集并解析传感器信息，一方面驱动执行器进行运动控制，另一方面通过通讯设备发送到监控端。控制计算机为控制系统的核心，一旦控制计算机出现故障，则控制系统完全崩溃，这对于波浪滑翔器是致命的。
波浪滑翔器的位置信息一般来源于集成气象站，然而气象站提供的gps定位信息有时会出现偏移野值，漂移范围可能很大，在恶劣的环境中如台风中，集成气象站可能遭受损坏，在这些情况下，即使控制系统其他部分完全正常，波浪滑翔器也无法向监控端反馈准确的位置信息，也无法进行回收，这对于波浪滑翔器也是致命的。
筑地英一等人提出的《双工系统和处理器切换方法》(公开号：cn101122877a)中采用了运行处理器和备用处理器并联的方案，当主要执行计算的运行运算器与备用处理器之间切换采用高速缓冲存储器对数据进行中继的方法，这与本发明中切换模块采用继电器组的方法原理不同。本发明切换模块的结构更为简单可靠，更加适用于海上无人航行器嵌入式控制系统。
李东濬提出的《大规模系统中的双工设备及其方法》中，设置了结构类似的第一单元和第二单元，第一单元和第二单元中均包含处理器与存储器，第一单元与第二单元的切换采用的是设置一双工信道与双工控制逻辑部分的结构。该双工信道与第一单元和第二单元均是连通的，而本发明中切换模块采用单刀双掷继电器组，在每时每刻都只与一个处理器连通而与另一个处理器断开，二者原理不同。本发明切换模块的结构更为简单可靠，更加适用于海上无人航行器嵌入式控制系统。
黄荣辉等人提出的《多旋翼无人机通讯和安全监测系统》(公开号：cn105824318a)中采用了铱星通信模块的“命令模式”用于传递信息，只是简单的使用了铱星系统，这与本发明中根据集成气象站gps航速信息进行故障诊断并自动切换铱星的工作模式具有本质不同。
本发明提出的高可靠性波浪滑翔器控制系统，利用主控计算机和备用计算机的并联系统，在任一控制计算机发生故障时控制系统仍可运行，切换模块采用单刀双掷继电器组的设计，结构简单、成本低、稳定可靠，主控计算机与备用计算机内部程序相似，开发难度低，利用集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能提高了波浪滑翔器位置信息反馈的可信度。该控制系统具有极高的可靠性，极大地降低了控制系统故障导致波浪滑翔器失踪的风险。
技术实现要素：
本发明提供了一种高可靠性波浪滑翔器控制系统，目的在于使得波浪滑翔器在主控制计算机或集成气象站gps出现故障时仍能使控制系统继续运行，并向监控端反馈可信度更高的gps定位信息。
本发明的目的是这样实现的：所述的高可靠性波浪滑翔器控制系统包括主控计算机，备用计算机，切换模块，外围设备。所述切换模块为单刀双掷继电器组。所述外围设备包括通信子系统，传感器子系统及执行器子系统，其中通信子系统包含铱星通信模块和北斗通信模块，传感器子系统包含集成气象站提供gps位置与gps航速，执行器子系统包括舵机。所述铱星通信模块包括铱星处理器，铱星天线及gps天线。
外围设备中各根通信线与切换模块中各个继电器的公共引脚连接。主控计算机的各个通信引脚与切换模块中各个继电器的常闭端口连接。备用计算机的各个通信引脚与切换模块中各个继电器的常开端口连接。切换模块中各个继电器控制引脚并联，并与备用计算机gpio引脚连接。主控计算机的一个通信端口与备用计算机的一个通信端口连接。
其中，所述主控计算机和备用计算机的接口配置，处理数据能力和计算能力相当，都能够独立完成全部外围系统的通信和控制，包括采集和处理传感器子系统与通信子系统数据、完成路径规划运动控制等计算任务、控制舵机等。
主控计算机，备用计算机是并联结构，两者都是通过继电器组与外围设备相连，而非直接与外围设备进行数据交互。主控计算机与备用计算机之间存在通信连接。
控制系统具有主控计算机处理模式和备用计算机处理模式两种工作模式。所述两种工作模式由备用计算机根据主控计算机是否正常运行进行自动切换。在主控计算机处理模式下，主控计算机按照先规定的通信协议向备用计算机中的监控计算机发送数据，备用计算机中的监控计算机根据规定的时间内读取数据的情况判断主控系统工作状态是否正常。备用计算机中的监控计算机在规定时间内读取数据时的情况包括：(1)读取不到数据；(2)读取到数据，但数据不符合通信协议要求；(3)读取到数据，但数据持续不变；(4)读取到数据，并且数据正常。在规定时间内持续出现(1)—(3)情况任意或几种时，备用计算机中的监控计算机即认为主控系统异常，进入备用计算机处理模式。进入备用计算机处理模式后，规定时间内出现情况(4)并持续一段时间，备用计算机中的监控计算机即认为主控系统正常，进入主控计算机处理模式。
主控计算机处理模式和备用计算机处理模式的切换过程是：
第一步：主控计算机按照事先规定的通信协议向备用计算机发送数据，备用计算机实时根据读取数据的情况判断主控计算机运行状态是否正常，如果备用计算机监测到主控计算机单次数据正常，则令备用计算机中异常次数记录变量n清零，如备用计算机监测到主控计算机单次异常，则令异常次数记录变量n增加1。
第二步：备用计算机判断主控计算机异常次数记录变量n是否大于等于最大异常次数m。如果n<m，则重复第一步；如果n大于等于m，则认为主控系统故障，备用计算机将波浪滑翔器运行模式切换至备用计算机处理模式，并进入第三步。
第三步：进入备用计算机处理模式后，备用计算机替代主控计算机与外围设备数据交互，并继续实时根据读取数据的情况判断主控计算机运行状态是否正常。如果备用计算机监测到主控计算机单次数据正常，则令备用计算机中存储的主控计算机恢复正常次数记录变量u增加1，如备用计算机监测到主控计算机单次异常，则令主控计算机恢复正常次数记录变量u清零。
第四步：备用计算机判断主控计算机恢复次数记录变量u是否大于等于恢复等待次数w。如果u<w，则重复第三步；如果u大于等于w，则认为主控系统恢复正常，备用计算机将波浪滑翔器运行模式切换至主控计算机处理模式，并进入第一步。
任意时刻当波浪滑翔器接收到监控端结束指令或波浪滑翔器判断完成任务等情况下可以停止程序运行时，该过程即可结束。
波浪滑翔器控制系统所具有的两种工作模式里，在主控计算机处理模式中，备用计算机将gpio引脚为低电平，切换模块中各个继电器的常闭端口闭合，常开端口断开，外围设备中各根通信线与住计算机进行信息交互，备用计算机实时监控主控计算机运行状态；在备用计算机处理模式中，备用计算机将gpio引脚为高电平，切换模块中各个继电器的常闭端口断开，常开端口闭合，外围设备中各根通信线与备用计算机进行信息交互，备用计算机与外围设备信息处理算法和主控计算机处理模式下主控计算机与外围设备信息处理算法完全一致，备用计算机实时监控主控计算机运行状态。
本发明提供的高可靠性波浪滑翔器控制系统，还具有集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能。在主控计算机处理模式和备用计算机处理模式中，当前控制计算机采集集成气象站发回的gps航速信息，如gps航速大于设定的预期最大航速并持续一段时间，则认为集成气象站gps位置信息出现故障，当前控制计算机向铱星处理器发送工作模式切换指令，使铱星通信模块进入“追踪模式”，铱星通信模块向监控端发回由铱星处理器上搭载的gps天线获得的gps位置信息，同时北斗通信模块按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息；当前控制计算机采集集成气象站发回的gps航速信息，如gps航速在设定的预期最大航速内并持续一段时间，则认为集成气象站gps位置信息正常，当前控制计算机向铱星处理器发送工作模式切换指令，使铱星通信模块进入“命令模式”，铱星通信模块与北斗通信模块均按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息。其中，预期最大航速按照经验选取，例如取为5m/s。
所述的集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能的运行过程是：
第一步：在主控计算机处理模式或备用计算机处理模式中，如集成气象站发回的gps航速小于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据异常次数记录变量p清零，如集成气象站发回的gps航速小于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据异常次数记录变量p增加1。
第二步：当前控制计算机判断气象站gps数据异常次数记录变量p是否大于等于最大气象站gps数据异常次数q。如果p<q，则重复第一步；如果p大于等于q，则认为气象站gps系统故障，当前控制计算机将波浪滑翔器铱星通信模块模式切换至“追踪模式”，铱星通信模块向监控端发回由铱星处理器上搭载的gps天线获得的gps位置信息，同时北斗通信模块按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息，进入第三步。
第三步：铱星通信模块进入“追踪模式”后，当前控制计算机继续实时判断集成气象站发回的gps航速信息，如集成气象站发回的gps航速小于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据恢复正常次数记录变量a增加1，如集成气象站发回的gps航速大于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据恢复正常次数记录变量a清零。
第四步：当前控制计算机判断气象站gps数据恢复正常次数记录变量a是否大于等于气象站gps数据恢复等待次数b。如果a<b，则重复第三步；如果a大于等于b，则认为气象站gps数据恢复正常，当前控制计算机波浪滑翔器铱星通信模块模式切换至“命令模式”，铱星通信模块与北斗通信模块均按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息，进入第一步。
任意时刻当波浪滑翔器接收到监控端结束指令或波浪滑翔器判断完成任务等情况下可以停止程序运行时，该过程即可结束。
所述的主控计算机处理模式和备用计算机处理模式的切换，与集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能，两者是并行进行的。在主控计算机处理模式或备用计算机处理模式下，由当前控制计算机执行集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1.采用主控计算机与备用计算机并联系统，在任一控制计算机发生故障时控制系统仍可运行，提高了系统的可靠性；
2.采用单刀双掷继电器组构成切换模块，稳定性高，运行可靠。继电器组控制引脚为高电平时切换至备用计算机处理模式，继电器组控制引脚由备用计算机控制，在主计算机故障时能够有效切换至备用计算机处理模式，而备用计算机故障时其gpio引脚默认低电平，控制系统不会误切换至备用计算机处理模式。
3.主控计算机和备用计算机的接口配置，处理数据能力和计算能力相当，与外围设备信息交互的程序相同，不同处仅为主控计算机需定时向备用计算机发送数据表征自身运行正常，而备用计算机需定时接收监测主控计算机状态。主控计算机和备用计算机相同的选型，几乎一致的开发过程有效降低了该控制系统的开发难度。
4.集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能有效利用了铱星通信模块的冗余定位信息，有效增加了发送至监控端的定位信息的可信度，减轻监控端监控人员负担。该控制系统具有极高的可靠性，极大地降低了控制系统故障导致波浪滑翔器失联、失踪的风险。
附图说明
图1为高可靠性波浪滑翔器控制系统结构示意图；
图2为主控计算机处理模式和备用计算机处理模式切换流程图；
图3为集成气象站gps位置信息故障诊断与替代流程图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，波浪滑翔器高可靠性控制系统包括主控计算机，备用计算机，切换模块，外围设备。所述切换模块为单刀双掷继电器组。所述外围设备包括通信子系统，传感器子系统及执行器子系统。所述通信子系统包含铱星通信模块和北斗通信模块。所述传感器子系统包含集成气象站提供gps位置与gps航速。所述执行器子系统包括舵机。所述铱星通信模块包括铱星处理器，铱星天线及gps天线。
结合图1详细表述切换模块构成及切换模块与控制系统其他部分连接关系。图1中切换模块为单刀双掷继电器组，其中标号为序号①，序号②以序号圆圈n的为各个单刀双掷继电器。每个单刀双掷继电器中，no引脚为常开引脚，nc引脚为常闭引脚，in引脚为公共引脚，gnd引脚为接地引脚，ctrl引脚为控制引脚。相对于gnd引脚，当ctrl引脚为高电平时，no引脚与in引脚导通，nc引脚与in引脚断开；当ctrl引脚为低电平时，no引脚与in引脚断开，nc引脚与in引脚导通。外围设备中标注为“c”引脚为通信引脚，与切换模块中各个继电器的公共引脚in连接。主控计算机中标注为“c”引脚为用于与外围设备通信的引脚，与切换模块中各个继电器的常闭端口nc连接。备用计算机中标注为“c”引脚为用于与外围设备通信的引脚，与切换模块中各个继电器的常开端口no连接。切换模块中各个继电器控制引脚ctrl并联，并与备用计算机gpio引脚连接。主控计算机中标注为“t”引脚为一可发送信号的引脚，备用计算机中标注为“r”引脚为一可接收信号的引脚，主控计算机中引脚t与备用计算机中引脚r相连。
其中，所述主控计算机和备用计算机的接口配置，处理数据能力和计算能力相当，都能够独立完成全部外围系统的通信和控制，包括采集和处理传感器子系统与通信子系统数据、完成路径规划运动控制等计算任务、控制舵机等。
所述主控计算机，备用计算机是并联结构，两者都是通过继电器组与外围设备相连，而非直接与外围设备进行数据交互。外围设备中标注为“c”引脚为用于与计算机通信的引脚，与切换模块中各个继电器的公共引脚“in”连接。
控制系统具有主控计算机处理模式和备用计算机处理模式两种工作模式。所述两种工作模式由备用计算机根据主控计算机是否正常运行进行自动切换。在主控计算机处理模式下，主控计算机按照先规定的通信协议向备用计算机中的监控计算机发送数据，备用计算机中的监控计算机根据规定的时间内读取数据的情况判断主控系统工作状态是否正常。备用计算机中的监控计算机在规定时间内读取数据时的情况包括：(1)读取不到数据；(2)读取到数据，但数据不符合通信协议要求；(3)读取到数据，但数据持续不变；(4)读取到数据，并且数据正常。在规定时间内持续出现(1)—(3)情况任意或几种时，备用计算机中的监控计算机即认为主控系统异常，进入备用计算机处理模式。进入备用计算机处理模式后，规定时间内出现情况(4)并持续一段时间，备用计算机中的监控计算机即认为主控系统正常，进入主控计算机处理模式。
下面详细阐述主控计算机处理模式和备用计算机处理模式各自的特点：在主控计算机处理模式中，备用计算机将gpio引脚为低电平，切换模块中各个继电器的常闭端口闭合，常开端口断开，外围设备中各根通信线与住计算机进行信息交互，备用计算机实时监控主控计算机运行状态；在备用计算机处理模式中，备用计算机将gpio引脚为高电平，切换模块中各个继电器的常闭端口断开，常开端口闭合，外围设备中各根通信线与备用计算机进行信息交互，备用计算机与外围设备信息处理算法和主控计算机处理模式下主控计算机与外围设备信息处理算法完全一致，备用计算机实时监控主控计算机运行状态。
结合图2，所述的主控计算机处理模式和备用计算机处理模式的切换过程是：
第一步：主控计算机按照事先规定的通信协议向备用计算机发送数据，备用计算机实时根据读取数据的情况判断主控计算机运行状态是否正常，如果备用计算机监测到主控计算机单次数据正常，则令备用计算机中异常次数记录变量n清零，如备用计算机监测到主控计算机单次异常，则令异常次数记录变量n增加1。
第二步：备用计算机判断主控计算机异常次数记录变量n是否大于等于最大异常次数m。如果n<m，则重复第一步；如果n大于等于m，则认为主控系统故障，备用计算机将波浪滑翔器运行模式切换至备用计算机处理模式，并进入第三步。
第三步：进入备用计算机处理模式后，备用计算机替代主控计算机与外围设备数据交互，并继续实时根据读取数据的情况判断主控计算机运行状态是否正常。如果备用计算机监测到主控计算机单次数据正常，则令备用计算机中存储的主控计算机恢复正常次数记录变量u增加1，如备用计算机监测到主控计算机单次异常，则令主控计算机恢复正常次数记录变量u清零。
第四步：备用计算机判断主控计算机恢复次数记录变量u是否大于等于恢复等待次数w。如果u<w，则重复第三步；如果u大于等于w，则认为主控系统恢复正常，备用计算机将波浪滑翔器运行模式切换至主控计算机处理模式，并进入第一步。
在图2中并没有标明“结束”，任意时刻当波浪滑翔器接收到监控端结束指令或波浪滑翔器判断完成任务等情况下可以停止程序运行时，该过程即可结束。
本发明提供的高可靠性波浪滑翔器控制系统，还具有集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能。在主控计算机处理模式和备用计算机处理模式中，当前控制计算机采集集成气象站发回的gps航速信息，如gps航速大于设定的预期最大航速并持续一段时间，则认为集成气象站gps位置信息出现故障，当前控制计算机向铱星处理器发送工作模式切换指令，使铱星通信模块进入“追踪模式”，铱星通信模块向监控端发回由铱星处理器上搭载的gps天线获得的gps位置信息，同时北斗通信模块按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息；当前控制计算机采集集成气象站发回的gps航速信息，如gps航速在设定的预期最大航速内并持续一段时间，则认为集成气象站gps位置信息正常，当前控制计算机向铱星处理器发送工作模式切换指令，使铱星通信模块进入“命令模式”，铱星通信模块与北斗通信模块均按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息。其中，预期最大航速按照经验选取，例如取为5m/s。
结合图3，所述的集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能的运行过程是：
第一步：在主控计算机处理模式或备用计算机处理模式中，如集成气象站发回的gps航速小于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据异常次数记录变量p清零，如集成气象站发回的gps航速小于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据异常次数记录变量p增加1。
第二步：当前控制计算机判断气象站gps数据异常次数记录变量p是否大于等于最大气象站gps数据异常次数q。如果p<q，则重复第一步；如果p大于等于q，则认为气象站gps系统故障，当前控制计算机将波浪滑翔器铱星通信模块模式切换至“追踪模式”，铱星通信模块向监控端发回由铱星处理器上搭载的gps天线获得的gps位置信息，同时北斗通信模块按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息，进入第三步。
第三步：铱星通信模块进入“追踪模式”后，当前控制计算机继续实时判断集成气象站发回的gps航速信息，如集成气象站发回的gps航速小于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据恢复正常次数记录变量a增加1，如集成气象站发回的gps航速大于设定的预期最大航速，则将气象站gps数据恢复正常次数记录变量a清零。
第四步：当前控制计算机判断气象站gps数据恢复正常次数记录变量a是否大于等于气象站gps数据恢复等待次数b。如果a<b，则重复第三步；如果a大于等于b，则认为气象站gps数据恢复正常，当前控制计算机波浪滑翔器铱星通信模块模式切换至“命令模式”，铱星通信模块与北斗通信模块均按与监控端协定的通信协议发回详细的波浪滑翔器状态信息，进入第一步。
在图3中并没有标明“结束”，任意时刻当波浪滑翔器接收到监控端结束指令或波浪滑翔器判断完成任务等情况下可以停止程序运行时，该过程即可结束。
所述的主控计算机处理模式和备用计算机处理模式的切换，与集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能，两者是并行进行的。在主控计算机处理模式或备用计算机处理模式下，由当前控制计算机执行集成气象站gps位置信息故障诊断与替代功能。